謝亮波 黃凱和 楊海濤

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000;3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心，安徽馬鞍山243000

馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司和尚橋鐵礦處于長(zhǎng)江支流采石支河匯水范圍內(nèi)，礦床賦存于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之下，礦體及圍巖均含水，其富水性弱至中等，局部地段富水性較強(qiáng)，且礦區(qū)地形不利于自然排水，所以爆破時(shí)炮孔基本充滿水。由于水的存在，弱化了填塞作用，如果填塞過(guò)長(zhǎng)，上部大塊就會(huì)增多，爆破質(zhì)量差;而填塞過(guò)小，會(huì)造成沖孔，既不安全，且炸藥爆炸產(chǎn)生的能量也未得到充分利用，增加爆破成本同時(shí)爆破質(zhì)量會(huì)更差。如何因地制宜，利用水介質(zhì)獨(dú)有的特性，在含水炮孔采用有效的技術(shù)手段，改善爆破質(zhì)量，對(duì)此進(jìn)行了加強(qiáng)水封塞爆破的研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)

在水系發(fā)達(dá)區(qū)域，尤其是巖石節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，炮孔內(nèi)的水是很難被排出的，由于水的存在，弱化了填塞物的封塞作用，容易產(chǎn)生沖孔從而影響爆破質(zhì)量。加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)是采用特殊的裝藥結(jié)構(gòu)，在炸藥與填塞物之間留取一定長(zhǎng)度的水柱，利用水作為傳遞能量的工作介質(zhì)，以達(dá)到對(duì)臺(tái)階上部充分破碎的一種爆破方法。加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Charge structure schematic diagram of stiffened water sealing blasting

與傳統(tǒng)的水封爆破或水間隔裝藥爆破放置間隔物不同，加強(qiáng)水封塞爆破在上部填塞物與水的接觸面之間，放置一個(gè)加強(qiáng)封塞藥包，加強(qiáng)封塞藥包超前主藥包一定時(shí)間起爆，起到對(duì)填塞物的超前壓縮密實(shí)作用，增加填塞物與孔壁的摩擦力，防止能量過(guò)早外泄，使能量充分作用到周圍巖石上，從而改善爆破質(zhì)量。

為了證實(shí)藥包上部水間隔裝藥結(jié)構(gòu)在爆破中的能量分布，根據(jù)炸藥爆轟波參數(shù)與巖石及水中沖擊波參數(shù)的關(guān)系、沖擊波在巖石及水中的傳播規(guī)律［1］，應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬出能量分布如圖2和圖3所示。從圖中可以明顯地看出水力對(duì)能量分布的影響，很顯然，在與水接觸的巖體中，其能量分布的數(shù)值是較大的，分布的范圍也更廣泛，這就足以證明加強(qiáng)水封塞爆破能更充分地利用炸藥爆炸能量，并較合理地分布于被爆的巖體之中。

圖2 起爆后1 ms炸藥爆炸在巖體的能量分布(單位:×105J/m3)Fig.2 Rock energy distribution of 1 ms after detonating explosive

根據(jù)模擬及分析，可以得出加強(qiáng)水封塞爆破的技術(shù)特點(diǎn):

圖3 起爆后3 ms炸藥爆炸在巖體的能量分布(單位:×105J/m3)Fig.3 Rock energy distribution of 3 ms after detonating explosive

(1)由于在加強(qiáng)水封塞爆破中能更充分地利用炸藥在水中爆炸的能量，從而使與水接觸的巖體能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)獲得較大的壓力，使被爆巖體受到較均勻地破壞。因此能夠顯著改善礦巖的破碎質(zhì)量。在露天臺(tái)階爆破中，臺(tái)階上部礦巖破碎質(zhì)量改善更為明顯。

(2)加強(qiáng)水封塞爆破可使臺(tái)階上部巖石得到充分的破壞，不但大塊率明顯地降低了，同時(shí)由于減少了過(guò)粉碎帶的范圍，粉礦率也有所減少。

(3)由于爆破中上部形成水幕，可大大降低粉塵，而且減少了裝藥量，可降低爆破振動(dòng)。

2 加強(qiáng)水封塞爆破機(jī)理

2.1 高沖擊作用下水的特性

水是由分子組成的，水的運(yùn)動(dòng)特性與分子的狀態(tài)密切相關(guān)，然而工程上常不考慮個(gè)別分子的微觀狀態(tài)，而是把水看作由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)。

在小沖擊力作用下，通常認(rèn)為這些質(zhì)點(diǎn)間不存在間隙。然而水質(zhì)點(diǎn)間畢竟存在著空隙，受壓縮作用下的水所表現(xiàn)出來(lái)的可壓縮性是對(duì)這一論點(diǎn)的最好證實(shí)，當(dāng)水受到象爆炸這樣的高沖擊載荷的作用時(shí)，其所表現(xiàn)出來(lái)的可壓縮性是不客忽視的［2］。

由于水的可壓縮性，水中沖擊波陣面上壓力的變化將引起波陣面上其他各水動(dòng)力學(xué)量的變化，當(dāng)炸藥在不同的介質(zhì)中進(jìn)行爆炸時(shí)，據(jù)前蘇聯(lián)有關(guān)實(shí)測(cè)資料表明:花崗巖沖擊波陣面上的初始?jí)毫?5 GPa;水介質(zhì)中為13.3 GPa;說(shuō)明水中沖擊波陣面上的初始?jí)毫Φ陀趲r石，但其大小同屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)，而與空氣相比則高出3個(gè)數(shù)量級(jí)［3］。因此，炸藥在水中爆炸時(shí)，水中的初始?jí)毫κ禽^高的。我們知道，水是難以壓縮的介質(zhì)，變形能損失較小，傳遞效率高。蘇聯(lián)查依認(rèn)為:“常壓下水中爆炸時(shí)，約97%爆炸能轉(zhuǎn)為水擊波能，故其作用強(qiáng)于巖石中的壓力波”。巴拉諾夫也認(rèn)為:“應(yīng)力波作用在巖體上的時(shí)間延長(zhǎng)，并且強(qiáng)度增大”。這些都說(shuō)明水做為媒介能更有效地傳遞炸藥爆炸的能量［4］。

在高壓下，水的壓縮性比巖石大，因此水又可作為炸藥爆炸產(chǎn)物與巖體之間的緩沖層，緩沖層的存在不但可以延長(zhǎng)爆炸沖擊波對(duì)巖體的作用時(shí)間，而且可以減少或消除在礦巖中產(chǎn)生的塑性變形帶中的能量損失。炸藥爆炸后產(chǎn)生沖擊波，并將大量的水汽化并膨脹、壓縮，形成多次脈動(dòng)。第一次脈動(dòng)所形成的壓力波(二次壓力波)作用時(shí)間長(zhǎng)，沖量大，它可以和沖擊波的能量相比擬。在爆炸氣體做功的同時(shí)，高壓的水?dāng)D入巖體裂隙之中，“水楔”更有利于巖體中裂隙的延伸和擴(kuò)展，在進(jìn)行的砂漿模型試驗(yàn)中也證實(shí)了“水楔”作用的存在［5］。

2.2 加強(qiáng)水封塞爆破水柱作用原理

炸藥被引爆后，猛烈地沖擊上部水柱，由于水在高沖擊載荷下的非彈性行為及水質(zhì)點(diǎn)間的能量損耗。該水柱中將出現(xiàn)一個(gè)衰減的波陣面，根據(jù)哈努卡耶夫進(jìn)行的波陣面衰減大量試驗(yàn)，得出各種波在水中的壓力峰值隨距離的衰減規(guī)律，詳見(jiàn)圖4。

圖4 波陣面壓力P隨距離衰減圖Fig.4 Figure of wavefront pressure P decay with distance

圖4中各種波陣面壓力隨距離的增加逐漸衰減，尤其在剛開(kāi)始時(shí)，波陣面壓力很大，為峰值壓力，衰減的速率也相對(duì)較快。普通爆破時(shí)，這些壓力在炸藥周圍形成粉碎區(qū)，而在采用加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)的炮孔中，主藥包起爆后，沖擊波波陣面沿炮孔軸向傳播的壓力傳到水柱中，水柱受到?jīng)_擊波波陣面壓縮后，吸收了波陣面的峰值壓力，當(dāng)波陣面壓力逐漸衰減后，水柱不再吸收壓力而轉(zhuǎn)為逐漸釋放吸收能量，從而延長(zhǎng)了對(duì)巖體的作用時(shí)間。同時(shí)水柱吸收了壓縮區(qū)波陣面峰值壓力，減小損失在壓縮區(qū)的能量。而由于上部加強(qiáng)封塞藥包的作用，一方面使上部填塞更密實(shí)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力，使這段水柱更好的壓封在炮孔內(nèi)，由于水柱起到對(duì)能量的傳導(dǎo)作用，使得臺(tái)階更上部巖體受到更大的作用力，從而改善臺(tái)階上部巖石的破碎質(zhì)量［1］。

2.3 加強(qiáng)水封塞爆破能量增加率

設(shè)孔壁上壓力衰減無(wú)論對(duì)于爆炸波還是對(duì)水中沖擊波作用都具有相同的形式，這樣就可以近似計(jì)算高度為hw的水體傳入巖體能量與炸藥爆轟波傳入巖體能量的比。

設(shè)L為炮孔斷面周長(zhǎng)，f(t)為應(yīng)力波在孔壁處的衰減函數(shù)，p0為炸藥對(duì)巖體初壓，hw為水柱高度，pw為水對(duì)巖體平均初壓，he為藥柱高度。則炸藥傳入巖體中應(yīng)力波總能量為

0.65為由于炸藥在孔壁處超粉碎區(qū)損失能量約35%能量后透射過(guò)去的應(yīng)力波能量比率［4］，由于水體壓力較低，不考慮產(chǎn)生粉碎區(qū)，則水體傳入巖體應(yīng)力波總能量為

則能量增加率

如 he=7 m，hw=3.5 m，巖石密度 ρ0=3 g/cm3，巖石縱波速度 Cp=4 500 m/s，炸藥密度 ρ=1.2 g/cm3，炸藥爆速D=4 500 m/s，水中波速取Cw=3 000 m/s，可計(jì)算得η =22%。

上面只是計(jì)算了水介質(zhì)對(duì)巖體傳入應(yīng)力波的能量增加率，實(shí)際上加強(qiáng)水封塞的作用不只是提高了炸藥的能量利用率，還在于該部分能量的增加大部分作用在臺(tái)階上部，而臺(tái)階上部恰恰是最容易出現(xiàn)大塊的區(qū)域。這就說(shuō)明了加強(qiáng)水封塞爆破有利于臺(tái)階上部大塊的破碎，能有效降低上部大塊的產(chǎn)生率，從而改善爆破質(zhì)量，起到降本增效的作用。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)的可行性及實(shí)用性，不僅進(jìn)行了大量的水泥砂漿模型試驗(yàn)，還在馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司和尚橋鐵礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。爆破孔徑為200 mm，采用170 mm乳化炸藥裝藥，普通導(dǎo)爆管雷管單孔起爆網(wǎng)路，加強(qiáng)封塞藥包采用塑料袋捆扎牢固的半支或1/4支乳化炸藥(10 kg/支)。和尚橋鐵礦加強(qiáng)水封塞爆破與普通爆破相關(guān)數(shù)據(jù)比較及爆破效果見(jiàn)表1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，采用加強(qiáng)水封塞爆破與普通爆破法相比，炸藥量降低10%以上，d50降低8%，d80下降10%，說(shuō)明了加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)在露天深孔爆破應(yīng)用的可能性。在隨后進(jìn)行的大規(guī)模生產(chǎn)爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)后，大塊率降低約45%，鏟裝效率提高16%，說(shuō)明在露天深孔爆破中應(yīng)用加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)是成功的。

表1 加強(qiáng)水封塞爆破降藥幅度及效果Table 1 Explosives reducing and effect of stiffened water sealing blasting

4 分析與評(píng)價(jià)

(1)以水作為傳遞炸藥能量的工作介質(zhì)是提高爆破有效作用的有利措施。通過(guò)在含水露天礦爆破中的初步應(yīng)用，爆破效果顯著，不僅節(jié)約了爆破成本，還能有效降低大塊率，明顯提高了裝載效率，爆后后沖小，無(wú)根底。

(2)加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)新穎、工藝簡(jiǎn)單易于操作應(yīng)用。該技術(shù)適用范圍廣泛，易于在其他礦山尤其是深凹及含水礦床的礦山推廣應(yīng)用。

(3)使用該項(xiàng)技術(shù)不僅能瞬間將爆破產(chǎn)生的粉塵霧化結(jié)團(tuán)，極大地減少了爆破粉塵的產(chǎn)生，還可有效降低爆破振動(dòng)。

(4)合理的水柱高度及加強(qiáng)封塞藥包的藥量是提高爆破中炮孔炸藥能量利用合理分配的關(guān)鍵，這個(gè)數(shù)值與裝藥高度、填塞長(zhǎng)度及填塞料緊密相關(guān)，還要做進(jìn)一步的研究。

(5)今后要進(jìn)一步對(duì)加強(qiáng)水封塞爆破各種裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，有待推廣加強(qiáng)水封塞爆破的全面應(yīng)用。

［1］ 劉為洲.臺(tái)階爆破的能流分布及塊度組成的三維數(shù)學(xué)模型［J］.金屬礦山，1987(6):25-28.Liu Weizhou.Three-dimensional mathematical model of energy distribution and blocks composition in bench blasting［J］.Metal Mine，1987(6):25-28.

［2］ 張松林.水壓爆破破碎特征研究［M］.北京:北京鋼鐵學(xué)院，1986.Zhan Songlin.Study on Rock Broken Characteristics of Hydraulic Blasting［M］.Beijing:Beijing University of Iron and Steel Technology，1986.

［3］ Gao Shicai，Ma Bailing，Liu Weizhou，et al.A method to measure muckpile quality comprehensively［C］∥The Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics:Proceedings of The International Conference on Engineering Blasting Technique.Beijing:Beijing University Press，1991:574-580.

［4］ 亨利齊 J.爆炸動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1987.Henryqi J.Explosion Dynamics and Its Applications［M］.Beijing:Science Press，1987.

［5］ 陳士海.深孔水壓爆破裝藥結(jié)構(gòu)與應(yīng)用研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(S1):112-116.Chen Shihai.Study on charging structure and its use of deep-hole water pressure blasting［J］.Journal of China Coal Society.2000，25(S1):112-116.